Разработка бесконтактных методов исследования структуры закрученных потоков на примере вихревой трубы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Р Г 6 од

г 11

ЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И. И. ГУБКИНА

На правах рукописи

АХМЕД КАСИМ МОХАММЕД

УДК 531.767(088.8):532.517

РАЗРАБОТКА БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ НА ПРИМЕРЕ ВИХРЕЗОИ ТРУБЫ

Специальность 01.02.05 - Механика хидкостя, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученей степени кандидат», технических наук

Мсскво

1ЭЭЗ

¡•аботй аыполнена б Государ--Т1зенчой академии нефти и газа имени И. П. Гуакинл ¡»а каФедре нефтегазовой и подземной гидромеханики

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Г. Д. Розенйерг;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю.Д. Райский. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В. И. Марон;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.А.Власов.

Ведущая организация: Институт проблем нефти и газа РАН к Миннауки РФ.

Зашита состоится "2Я " и ¿О 1993 г. в " ¡0 часов в

аУД- /? 03 на заседании Специализированного Совета Д. 053.27.12 в Государственной академии нефти и газа имени И. М. Губкина по адресу: 117917, ГСП-1, Москва. В-295, Ленинский проспект, д.65.

С диссертацией мсхно ознакомиться в библиотеке ГАНГ км. К. М. Губкина.

Автореферат разослан '■д. " 1993 г.

Ученый секретарь Сспециализированногс Совета кандидат технических каук. с. е. с. я/Л IУ I В. Д. Райский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тамы. Вихревые потоки представляют собой важный раздел современной гидро- и аэромеханики. Этот класс течений наблюдается зо многих явлениях природу и широко используется в технике.

В настоящее время находит практическое применение вихрааой эффект, заключающийся в температурной разделении закрученного потока газа и открытый Ж. Ранком в 1931 г.

Вихревой эффект и устройство для его осуцествления - вихревая - труба - получили распространение в современной технологии. Вихревой эффект успещ-.о используется для фазового и компонентного разделения ' газохом.яенсатных смесей, низкотемпературной ректификации воздуха, сознание промышленных холодильников и т.д.

Эффективность технологических усторойств с использованием вихревых потоков тесно связана с характером течения газа в них.

Вихревые потоки представляют собой трехмерные турбулентные течения. Применение существующих теоретических методов для описания структуры вихревых потоков в большинстве случаез наталкивается на непреодолимые трудности. Отсутствие строгой теории для описания этого класса течения ощупается наиболее остро яри проектировании и разработке конкретных устройств и технологий.

В настоящее время в исследовании вихреЕых течений нибольшее распространение получили экспериментальные методы, при этом наибольшими функциональными возможностями обладавт бесконтактные методы, которые не вносят возмущений в ' структуру исследуемого потока.

Наиболее перспективна.:!! из них является метояи, основанные на применении лазерной техники. Освоение этих методов л проведение на их базе эксперикэктадьяых исследований позволит улучдшть технологи-

ческие характеристики вихревых труб, которые благодаря своей простоте и надежности находят широкое применение е технологических схемах нефтяной и газовой промышленности.

Цель работы. Создание методических основ исследования структуры и газогидродинамических параметров закрученных турбулентных потоков реального газа в вихревых трубах с помощь?: лазерной техники.

Основные задачи исследований:

- разработка метода вкзулизации картины течения закрученного турбулентного газового потока;

- разработка метода измерения газогидродинамических параметров закрученного турбулентного газового потока с помощью 3-х компонентного лазерного доплеровского анемометра (ДПА) с инверсно-дифференциальной оптической схемой к спектральным методой выделения и обработки доплеровского сигнала;

- создание экспериментальной установки с цель» проверки предложенных методов исследования структуры и газогидродинамкческих параметров закрученных турбулентных потоков в противоточной вихревой трубе с тангенциальным входом сжатого газа;

- отработка методики исследования структуры и газогидродинамкческих параметров течения закрученного турбулентного потока реального газа в вихревой трубе;

Методика исследований. Поставленная задача решалась с помоеыо метода "лазерного нога", позволившего визуализировать структуру турбулентного закрученного потока реального газа, а 3-х компонентного ЛДА с инверсно-дкфферинциальной оптической схемой и спектральным методом обработки доплеровского сигнала, позволившим получить газодинамические характеристики турбулентного закрученного потока в различных сечениях трубы.

Научная новизна:

- разработана методика визуализации картины течения закрученного турбулентного потока газа в вихревой трубе с использованием метода "лазерного ноха". с помощью которой выявлены рехимы и зоны образования противотока, возникновения вихревых структур и конденсации влаги;

X

- разработана методика измерения газогидродинамических параметров закрученных турбулентных потоков реального газа в вихревой трубе с помощью ЛДА, чувствительного к трем компонентам вектора скорости;

- получен алгоритм вычисления погрешности, обусловленной рефракцией лазерных лучей на двух криволинейных стенках канала вихревой трубы;

- на основании сопоставления качественных и количественных данных о структура закрученного турбулентного потока в вихреЕой трубе обкарухен тороидальный прецессирующий вихрь, ответственный за высокую степень пульсаций компонент скорости.

Обоснованность и достоверность полученных результатов.

Обоснованность и достоверность полученных в работе данных следует из того, что они основаны на общих требованиях к постановке гидродинамического эксперимента.

Визуализированные картины течения закрученных турбулентных потоков зафиксированы с помощью фотоаппаратуры. Выявленные с помощью 3-х компонентного ЛДА характеристики закрученного турбулентного потока качественно согласуются с известными экспериментальными данными.

Практическая ценность.

Созданные методика и экспериментальная установка позволяют

исследовать структуру и газогигродинамические характеристики сложных многомерных течений в вихревых трубах с гарантируемой точностью, а экспериментальные данные могут быть полезны при разработке конкретных технологических устройств.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры нефтегазовой к подземной гидромеханики ГАНГ им.И.М. Губкина (Москва I99I-I9S3 гг.).

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в трех публикациях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, приложения к библиографического указателя, насчитывающего lO^f наименования. Работа изложена на ш страницах машинописного текста и содержит 13- рисунков. Приложение включает три раздела объемом страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ • '

Во введении обосновываются актуальность выбранной темы, цель, основные задачи, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе приведены краткий анализ гидродинамической структуры закрученных потоков и рассмотрены основные возможности теоретических и экспериментальных методов их исследования.

На основании работ Ентова В.М., Калашникова В.R., Райского Ю. Д., Щукина В. Н., Меркулова А. П., Лукачева С. В., Кныи В. А., Волчкова 3.П., Смульского И.И., Collins R.L., Escudier м.р.,

Таказ^ата н., Уокоэауа н. а др. отмечено наличие нескольких характерных участков течения вихревых потоков с резко отличающимися гидродинамическими структурами (рис.1).

Первый участок находится в непосредственной близости от завих-рителя, а структура потока на этом участке определяется конструкцией закручивавшего устройства и его геометрическими параметрами.

Длина этого участка для различных завихрителей в большинстве случаев изменяется от 0.5 до 4 диаметров (хн-хн/<1-0.5+4).

Особенность второго участка состоит в том, что структура потока. а. следовательно, и интегральные характеристики течения практически не зависят от вида завихрителя и определяются только интенсивностью закрутки. Этот участок называют основным. Он начинается при х > хн и заканчивается после вырохдения закрутки.

На третьем участке исчезают особенности, обусловленные закруткой, и он превращается в обычный осевой поток с развитым профилем :коросги. Исследователи выделяют область пристенного течения закру-?еного потока, играющую большую роль в процессах тепломассоперено-:а. В настоящее время установлено, что толнина пристенного течения значительно меньше, чем толщина вязкого подслоя в осевых потоках, 1то повидииому связано с наличием центробежных сил.

При использовании в вихревых потоках многофазных смесей эффект :епарации является функцией отношения расхода охлахденного газа < полному расходу входящего газа ( д -с^/с^). При небольших д зсновная масса вводимой хидкой фазы концентрируется на периферии ютока и уносится с нагретым потоком. С ростом и увеличение осе-зой скорости потока приводит к усилению уноса хидкости с охлахден-шм потоком. Данные, представленные в первой главё, полезны как с методической точки зрения, так и с точки зрения анализа эксперимен-

тальных данных, приведенных в следующих главах. На рис.I схематически представлена общая характеристика потока газа в противотсчнсй Еихревой трубе с тангенциальным входом сжатого- газа.

Ограничения теоретических методов исследования б основном определяются трудностями описания многомерных турбулентных потоков.

Сравнительный анализ экспериментальных методов исследования, а именно зондоеых и бесконтактных показал бесспорное преимущество последних. Показано,- что среди бесконтактных методов исследования при изучении вихревых потоков наибольшими функциональными возможностями обладают методы с применением лазерной техники, в частности - методы визуализации и лазерной доплеровской анемометрии.

Особый интерес для исследования вихревых потоков представляют бесконтактные методы, разрабатываемые Дубнищевым Ю. Н., Рннкевичиссм Б. С., Смирновым В.М., Максимовым А. И., Павловым А.А., Багрянцевык В. И. , Buchhave Р., Bodo Ruck., Dust F., Helling A., Viitlaw J.H. и

др.

Во второй главе на основе существующих современных данных о структуре закрученных потоков -к методах их изучения сформулирована и поставлена задача дальнейших исследований этих потоков в вихрезых трубах.

Приведено общее описание установки, включающее ее гидродинамическую часть, систему визуализации с использованием "лазерного ножа" и лазерный доплеровский анемометр со спектральник «етодои выделения и обработки полезного сигнала.

Принципиальная схема установки для исследования вк;:ревых потоков представлена на рис.2.

Гидродинамическая часть состоит из вихревой трубы 1 с тангенциальным входом сжатого воздуха 15. По подводящему трубопроводу

вводится сжатый воздух от компрессора с рессквером 3. Расход подводимого воздуха измеряется с использованием расходной диафрагмы 4 и и - образного дифманометра 5. Мембранный манометр 6 слухит для измерения давления воздуха на выходе из рессивера компрессора. Воздух, Еынедгий из дросселя -II вихревой трубы сбрасывается в атмосферу по трубопроводу 7. Расход этого воздуха измеряется с помощью диафрагмы 8 и и - образного дифманометра 9. Возвратный осевой поток, образующийся в вихревой трубе, выходит через диафрагму трубы 10 в атмосферу.

Расходные диафрагмы 4 и 8 были предварительно оттарироааны с помсщьв газового расходомера.

Система визуализации картины'течения основана на формировании плоского лазерного луча ("ноха"), в поле которого фотографируется наличие дисперсной фазы. " "

Для этого используется метод зондирования- вихревой трубы с плоским лазерным лучем П3, образованным лазером 18 с помощьв оптической системы 19, по диаметру вихревой трубы вдоль оси х со стороны дросселя II с прозрачным окном. Съемка структуры потока осуществлялась фотоаппаратом 20. Засеяяые газового потка осуществлялось частицами табачного дыма, пропускаемого по трубопроводу 22 от генератора дыма 21.

В качестве завихрителя используется тангенциальный одинарный вход, состояний из сопла и обоймы, выполненный из латуни. Внутрь обоймы вставлена стеклянная трубка с внутренним я внесшим диаметрами 18 мм и 21 мм соответственно. Внутренний диаметр сопла равен 4 мм. В обойме предусмотрены смотровые окна, обеспечиЕаюаие обзор начального участка зихревой трубы. Другой конец стеклянной трубки соединен с выходным устройством. Это выходное устройство состоит

кз металлической обоймы, в которой крепится конец стеклянной трубки. В работе представлены конструкция вихревой трубы и способ ее монтажа.

Для количественного исследования структуры вихревого потока служит трехкомпонентный ЛДА с инверсно-дифференциальной оптической схемой. Для выделения и обработки доплеровского сигнала был применен спектральный метод с использованием анализаторов спектра СК 4-58 и С4-25.

На 'рис. 3 представлена принципиальная оптическая схема 3-х компонентного ЛДА.

Оптические схемы измерительных каналов идентичны, поэтому достаточно описать один из них, например, канал для определения нормальной к оси трубы компоненты скорости V .

ДДА состоит из лазера I, лазерный пучок которого Попроходит пространственно частотный фильтр 2 через отверстие Линза 3 является одновременно приемной и передающей. Лазерный луч Попройдя линзу 3, фокусируется в точке р . Свет рассеянный из положения фо-• куса г^ собирается линзой 3, отфильтровывается фильтром 2, делится на два луча Н' к Е^ с помощью отверстий г^и 02 фильтра 2. При этом один из пучков П* пройдя частотный модулятор 6,' сдгпгается по частоте относительно пучка П*. Далее рассеянные пучки с помоиью "глухого" зеркала З3 и полупрозрачного 34 пространственно совмещаются к поступают через приемную оптику 8 и диафрагму 12 на фотоприемник

ФЭУ . у

Конструктивно описанный ЛДА выполнен в виде моноблока.•В блоке установлен лазер, устройство сдвига частоты - геликоид, зеркала, приемно-передающая оптика и фотоприемники.

Приемно-передающая оптика передставляет собой линзу с апер-

турой 80 ым и фокусным расстоянием 200 мм.

Источником когерентного излучения мохет быть любой газовый лазер непрерывного действия. В нашем случае использовался лазер ЛГН-215 модностью 50 мвт. Используемый. трехкомпонентный ЛДА чувствителен к неортогональным компонентам вектора скорости. Ортогональные компоненты могут быть представлены в виде (см.рис.4) _ v ♦ v v - v

V - -i-- ; V - -1-- ; V - V .

* 2 eos <3 1 2 sin 0 У

где Vj и V2 - измеренные горизонтальные компоненты вектора скорости. Р - угол мехду пучком Пв и биссектрисой системы пучков П1 и Пг.

При этом компоненты скорости определяются вырахениями:

v - л; V - (t"~ >.; V - ^ - -

r 2 sin(ay/2) ' 1 2 sin(Bt/2) 2 2 sin(ot2/2)

где x - длина волны лазерного излучения; fDt и f02 измеряемый доплеровский сдвиг частоты света по каналам Kt и К2: f - по каналу у; " начальный частотный сдвиг частоты света,

01' 02' Оу

определяемый устройством сдвига частоты; а^ , , аг - углы сведения рассеянных пучков света, принимаемой оптикой ЛДА.

В главе приведены основные технические хаорактеристики ЛДА. Устройство сдвига частоты света (Геликоид) обеспечивает плавное изменение начального сдвига частоты в пределах 0-20 кгц в кахдом приемном канале.

При измерении компоненты v^ угол сведения рассеянных лучей ау/2 - 8,53°, a при измерении компонент скорости vt и v2 углы сведения соответственно равны с^/2 - аг/2 - 7.12°. Мехду биссектрисами углов с^ и аг угол 0 - 1,41°.

При измерении компоненты V число интерференционных полос к -- 27. а при измерении V и V число N - 23.

При измерении компоненты V^ размер интерефэрениионных полос

- 4-Ю~6м, а при измерении компонент и \'г размеры полос соответственно равны г,- - 5-Ю"6м.

При определении компоненты V размеры области измерения о^;

56-10~'м и 1 - 375-Ю~6м, а при определении компонент и vг

эти размеры равны а « <2 56-10"6м и 1 .« 1 „ - 452-10 6м соот- ■

г п 1 »2 в I в 2

зетственно для меньших и больших осей эллипсоидов вращения.

ЛДА работает в режиме прямого и обратного рассеяния с использованием уголкового отражателя и Не-Ые лазера мощностью 50 мВт.

Б главе приведены также особенности применения 3-х компонентного ЛДА при исследовании потоков б вихревой трубе и показано, что при обработке результатов экспериментов необходимо учитывать пог-реиности измерения при сканировании области измерения. Впервые приводится алгоритм вычисления погрешности, обусловленной рефракцией лазерных лучей на двух криволинейных стенках ;;анала. В случае симметричного зондирования при определении компоненты скорости \\ отклонение области измерения, вызванное рефракцией лазерных лучей на двух криволинейных стенках канала от заданного положения, определяется выражением

дг = г П -'*) , •п

где го(ым) - заданное положение области измерения, отсчитываемое от центра канала

; V ' 1 * Г L ,

о

гле Ь " - 1 (R. - Ra> .

R • R '

1 2

n - показатель преломления материала, из которого изготовлен канал вихревой трубы; R, и кг - внешний и внутренний лиаметр трубы; v -характеризует отклонение угла сведения обусловленного рефракцией от заданного

sin а а

i? "

sin а

где ао - угол сведения лазерных лучей. определяемый приемно-передающей оптикой

а - а (1 * г Ь).

I о 4 о '

При "симметричном ~ зондировании при измерении горизонтальных компонент V и V, происходит только смещение области измерения определяемое выражением

/ 1 - sin2a sin а

Следовательно, погрешность измерения при определении компоненты носит переменный характер и максимальна при измерении вблизи стенки канала. Зависимость изменения угла сведения и области измерений от заданного положения измерения при определении компоненты vy представлена на рис.5.'

Отличие положения области измерения при наличии рефракции и при ее отсутствии имеет для измерения горизонтальных компонент, вектора скорости постоянное значение. Эти особенности применения ДДА учитывались при обработке результатов измерений.

Третья глаза посвящена описании проведенных экспериментальных

о

исследований потока газа в трубе и анализу полученных данных.

Б первой части представлены картины течения газа, полученные методом "лазерного нога" при различных режимных параметрах.

Основными параметрами, влияющими на структуру газового потока в вихревой трубе являются отношение давлений воздуха - на входе и выходе из вихревой трубы - Рат , отношение расходов холодного и входящего газов ( д - сх/с„) и параметр закрутки £ - и/кн (где м -поток момента количества движения, к - поток количества движения. Р. - радиус канала).

Ограниченные рамки автореферата не позволяют привести результаты качественного изучения структуры потока в полном объеме. Поэтому ограничимся наиболее характерными результатами.

На рис. 6а,б приведены картины течения при избыточном давлении схатого газа1) Рс - 0,03 МПа ( и - 0 и д- 0,8).

Из этих картин течения видно, что при д - 0 противоток сформировался еще не полностью. В конце канала трубы видны вихревые образования, свидетельствующие о существовании вихря.

С' увеличением и увеличивается параметр закрутки Ф . что приводит к интенсификации процессов разделения в центральных и переферн-йных слоях газа. При д - 0,8 из рис.66 видно, что противоток сформировался. В правой части рис.66 четко вклен интенсивный поток охлажденного газа. С изменением Рс -и д в целом картины течения носят сходный характер, однако имеются некоторые особенности при достаточно больших р . Так при р - 0,2 МПа четко бедно наличие

с с

сЕетлых винтообразных линий, являющихся результатом конденсации влаги вследствие перепада давления при выходе схатого газа из

^ Давление на выходе было равно атмосферному.

сопла в канал вихревой трубы. С увеличением д (например, при д - 0,51) эта винтовая линия ухе не такая четкая, что объясняется частичным испарением влаги в канале трубы. Это вызвано увеличением параметра закрутки с увеличением д.

Еще большее увеличение д приводит к более интенсивному испарению влаги в периферийных слоях газа и при д -I винтовая линия полностью исчезает (рис.бд).

Следует обратить внимание на явление сепарации дисперсной фазы (частиц дыма) и на наличие вихревых образований в конце вихревой трубы при д - I. Интересно отметить, что эти вихревые образования имеют большую пространственную частоту, чем вихревые образования при д близких к 0.

При анализе картин течения газа в вихревой трубе мохно отметать ряд закономерностей.

При малых д имеют место вихревые образования, которые заполняют всю длину канала. Мохно видеть, что образование противотока закончено при Рс -0,05 МПа. Замечено, что конденсация влаги имеет место ухе при Рс - 0,15 МПа. При всех рехимах течения наблюдается сепарация дисперсной фазы. Наглядность полной картины течения газа в Еихревой трубе очень полезна при планировании и проведении эксперимента с применением лазерной доплеровской анемометрии.

Рассмотрим теперь результаты ДНА - измерений локальных скоростей в различных сечениях вихревой трубы. Проведено исследование вихревого течения в трубе длиной L - 300 ш при отношении расхода холодного газа к расходу входящего газа д - 0,5. Это значение д выбрано для того, чтобы имелась возмохяость сравнить результаты данной работы с результатами других авторов, полученных другими методами. Считается, что именно при д --• 0.5 вихревые трубы имеют

наибольшую эффективность.

Было проведено симметричное зондирование вихревого течения з4 начальном, основном и конечном участке потока, а именно на расстояниях 70 мм, 160 мм и 200 мм от соплового сечения при входных давлениях Рс 0, 01 МПа; 0, 03 МПа и 0, 05 МПа.

Эти параметры выбраны из условия относительной простоты внедрения дисперсной фазы в исследуемый лоток.

На рис.7 представлены профили средних по объему выборок V -тангенциальной, - осевой и - радиальной составляющих скоростей при давлении Рс - 0,01 МПа в трех вышеуказанных сечениях. Из этих рисунков видно, что значения тангенциальных и осевых составляющих в областях вблизи стенки имеют величину одного порядка. Это связано с тем, что У^ и чг практически представляют собой компоненты скорости вдоль винтообразной линии тока, определяющей направление закрученной струи.

При приближении к оси вихревой трубы ^ уменьшается до 0, а V в области г - 4,5 мм меняет знак, -что говорит о формировании противотока. По мере приближения противотока к диафрагме трубы на рис.76 видно, что область возвратного течения расширяется, а величина скорости растет. Профили (рис.7в) указывают на то, что при г > 6,5 мм радиальная составляющая скорости направлена к поверхности вихревой трубы, а при г < 6. 5 мм - к оси камеры.

Профили скоростей при Рс - 0,03 МПа и Рс - 0.05 МПа представлены соответственно на рис.8 и рис.9. В целом по своему характеру и форме эти профили близки к приведенным на рис.7, только с увеличением Рс максимумы V и ^ смещаются ближе к стенке вихревой трубы.

С увеличением расстояния от входа форма профиля тангенциальной скорости меняется относительно слабо. При рассмотрении эпюр танген-

циальной составляющей скорости следует, что после истечения из сопла закрученный поток образует в приосевой области течение близкое к вынужденному вихрю по закону v / г - const.

В настоящее время считается, что основным механизмом ответственным за эффективность температурного разделения газов является турбулентный перенос. Поэтому интересно рассмотреть величины пульсаций компонент скорости.

На рис.10 представлены зависимости относительных радиальных, тангенциальных и осевых пульсациокных составляющих. Характер этих зависимостей при различных давлениях сжатого газа ?с достаточно одинаков, поэтому приводятся зависимости при давлении Рс - 0,01 КПа в трех -сечениях вихренсй трубы. ~

Анализ этих зависимостей показывает, что интенсивность пульсации радиальной компоненты скорости з рассматриваемых поперечных сечениях трубы в несколько раз прзвыиает остальные компоненты. Эти данные совпадают с данными о пульсациях давления, получениях Лука-чезым C.B. и Kicjh D.A.

Анализ профилей скорости v в сечении L - 220 >'.;; показывает, что тангенциальная и радиальная составляющая скорости кмзст достаточно высокое значение. Это означает, что вырождение закрученного течения при этой длине вихревой трубы не происходит.

Этот факт и существование прецессирующего тороидального вихря приводит к относительному увеличению гидродинамического сопротивге-ния и к увеличению интенсивности пульсаций, что необходимо учитывать при создании вихревых устройств, используемых п реальных технологических процессах.

В приложении дано подробное описание работы устройства сдвига частоты света - геликоида, представлен вывод преобразования системы

координат ЛДА к декартовой системе координат. Подробно проанализированы методические погреаности при исследовании вихревык потоков с помощью метода ЛДА с инверсно-дифференциальной оптической схемой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе проведен анализ современного состояния исследования вихревых потоков. Показано, что наибольиими функциональными возмохностямп обладают бесконтактные методы исследования на основе лазерной техники.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая осуществить бесконтактное исследование потоков в вихревой трубе.

3. Разработана методика вкзуализащш структуры течения газового потока в вихревой трубе с помощью "лазерного ноха". С помощью "лазерного ноха" впервые получены картины течения газового потока в вихревой трубе, что дает возыохность проводить качественный анализ структуры течения.

4. Разработана методика проведения измерений 3-х компонентным лазерным доплеровским анемометром в вихревой трубе. Отмечены особенности измерения при симметричном и несимметричном зондировании исследуемого потока. Впервые получен алгоритм определения погрешностей измерения, обусловленных рефракцией лазерного излучения на двух криволинейных стенках канала.

Показано, что полная погрешность измерения параметров течения, проводимых с помощью ЛДА, значительно меньше погрешности, которая иыеет иесто при зондовых измерениях.

5. С помощью ЛДА впервые получено пространственное распределе-

низ трех компонент вектора скорости е трех характерных сечениях вихревой трубы.

6. Сопоставление качественных данных о структуре течения и количественных данных о пульсационных составляющих скоростей дало нозможцость впервые достоверно утверждать о существовании тороидальных прэцессирувких вихрей.

Таким образом, созданная методика и экспериментальная установка позволяют исследовать структуру слохкых многомерных турбулентных течений с достаточно высокой степенью точности.

Данные, полученные с помощью этой методики, могут быть полезны при оптимизации работе конкретных технологических устройстз.

Основные результаты диссертации опубликованы з следующих работах:

1. Ахмед Касим Мохаммед. Визуализация газового потока в вихревой трубе // Леи. в ЕКИИгазпром 2.12. 92 Ус 1348492 - 23 с.

2. Ахмед Касим Мохаммед, Митюзин А. И. Особенности приг.'снениг трехкокпонектного А'ДА при исследовать: газовых потоков в вихревых трубах .'! Деп. в БНЙИгазпром 2. 12. 92 Я 1348492 - 41 с.

3. Ахмед Касим Мохакиед, Иктюпин А. И. Трехкоипсненткнй лазерный доп-горозский анемометр с нквэрсно-лкфференцкальной оптической схемой // Деп. в БНЙИгазпрок 2.12.92 .4 1347492 - 13 с.

искатель

Рис. 4 Основные свойства вихревого потока п противоточной вихрепоП трубе.

- диаметр диафрагмы - основной участок потока

£>о - диаметр трубы в сопловом сечении - длина конечного участка потока,

4>х - осевая компонента параметра закрутки вырожденного з осевой поток

5" - толщина погранслоя • > 6-,' &г' ■

Хи<.ч- дайна наачального участка вихревого потока ' / 6х - расход снятого газа, нагретого и охлажденного, соответственно

fßtj

Рис. Принцишшлыпш схема установки длл исследования в!щ:эвых потоков.

Рио.З Оптическая схема 3 2L - компонентного ЛДА

Ркс.4 iírjxcTpgiпреобразована системы координат Kjis K^

для определена ортогональных компонент Бентоса скорости.

сведения лазерных лучей от г.оложенм области измерения в отсутствие рефсгяази

б ? = 0,03 Шг.

„А = 0,8

0,04

-от

У г ( м/г) 1

РО-^ч

& 1 \!

1 I 1

■ —г гтч

3 9

! 2 3 4 5 6 6

7 Распределение компонент средней скорсстк. Рс = 0,01 УПа /*= 0,5

О— Ц= 70 мм: О—Ц= Г60 мм: д—15 =

S M

3 2 i О

Уу(М/с)

[Ул

jy

'д

1 2 3 4 S 6 7 8 9

a

Цмм!

5 Ч . 3 2 / О

-i -2

Q04

г Г-

Л__ -А- —Ч il— /А

=£=

г (м м}

-Oßif

Vz ш

rft 7?

Л i 2 5 « . S 6 и/

\ !

- — ---

i 1...

7 (мм J

ß

Tzc.9 распределение компонент средне" скорости Рс = 0.05 r.íilE >/=0,5-

О — Lf- 70 мм: С—160 Г.<:,1 : д— L.= ??.0 ¡w

- -¿J -

í 0,8

0,6

0/f

0,2

Vi 1 1 l

1 о- чо

i ¿s-! t 1

i

o í 2 3 и ce

ó 7 8 9

ï(rfM)

i 5

/C&s

v> i V

1 ! / 4

¡ IT

rhrh

i 2 J i. -0 Г 6 7 8 5

! !

V 7 cf N

1 i i i

cuL-<5>1 1 .,4 ^ 4

1 \

— —- __

! ! i i ! 1

t (M M}

2 3

4 6

S 6 7 S S

г {им}

?яс. 10 Гасгрег.слекхе "нтеасмвкоег;: пульсаций компонент скорг.сгд

■ с " Д -L,=

^ 0.5 a—L,= TRO км:

~ , - cor»..,* 3

Подписано к печати 2,06.93 Формат £0x90/16 Шьзм 1,0 уч.-изд.л. Заказ "Гт9 Тира-?: ТОО зкз.

Огдэл одератиыюй полиграфик ГАНГ им, И.М. Губкина